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何莉

開(kāi)封市天平路橋工程監(jiān)理有限公司 開(kāi)封 475000

摘要：氣候作用（如雨、日、冰）是瀝青路面老化的主要原因之一，這些氣候因子對(duì)瀝青混合料影響可能是長(zhǎng)期雨天或晴天的老化過(guò)程，也可能是由于溫度變化范圍大而引起的一系列凍融循環(huán)，然而，室內(nèi)研究主要集中在氣候作用的短期效應(yīng)上。因此，本文針對(duì)兩種不同的瀝青混合料（密級(jí)配和開(kāi)級(jí)配），分析長(zhǎng)期受潮、多次凍融循環(huán)和不同熱老化時(shí)間下其強(qiáng)度和剛度的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：在水分作用下空隙率對(duì)瀝青混合料的長(zhǎng)期性能演變有顯著影響，這是一個(gè)不同于其他兩種氣候因子的可逆過(guò)程。另一方面，凍融循環(huán)對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的影響更大，無(wú)論空隙率如何，凍融循環(huán)都是一個(gè)短期過(guò)程，而熱老化對(duì)兩種瀝青混合料的性能變化最小。

關(guān)鍵詞：氣候因素；長(zhǎng)期效應(yīng)；瀝青混合料；力學(xué)性能

Effect of long-term climate on performance of asphalt mixture

HE Li

Kaifeng Tianping road and Bridge Engineering Supervision Co., Ltd. Kaifeng 475000

Abstract:climate effect (such as rain, day and ice) is one of the main reasons for asphalt pavement aging. The effect of these climate factors may be the long-term process of asphalt mixture aging in long-term rain or sunny days, or a series of freeze-thaw cycles caused by wide range of temperature changes. However, the indoor research focuses on the short-term effects of climate action. Therefore, this paper aims to analyze the changes of strength and bearing capacity of asphalt mixture under long-term moisture, multiple freeze-thaw cycles and different heat aging days. In this paper, for two different asphalt mixtures (dense type and open type), it is found that the void ratio has a significant effect on the long-term performance evolution trend of the mixture under the action of moisture, which is a reversible process different from the other two climatic factors. On the other hand, the freeze-thaw cycle has a greater impact on the dense mixture. Regardless of the void ratio, the freeze-thaw cycle is a short-term process, and the thermal aging has the smallest change on the performance of the two asphalt mixtures.

Key words: climate factor; long term effect; asphalt mixture; mechanical properties

1 引言

瀝青路面在服役期內(nèi)，由于交通荷載和自然環(huán)境的共同作用，導(dǎo)致出現(xiàn)各種早期病害，例如車轍，碎裂或開(kāi)裂^[1-3]。在不同的氣候因素中，水分是導(dǎo)致瀝青混合料路面損壞的主要因素之一，凍融循環(huán)和太陽(yáng)輻射也會(huì)加速路面老化。

瀝青混合料的水損壞與材料的附著力和內(nèi)聚力的損失有關(guān)，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度，剛度和耐久性降低。由于水分子擴(kuò)散過(guò)程中氣孔分布水起著至關(guān)重要的作用，水分子可以占據(jù)瀝青結(jié)合料分子內(nèi)的位置并削弱瀝青結(jié)合料本身內(nèi)的內(nèi)聚力。另外，當(dāng)水分滲入瀝青結(jié)合料和骨料界面時(shí)，兩種材料之間的粘結(jié)力減弱，導(dǎo)致粘合失效并發(fā)生撕裂現(xiàn)象。另一方面，水分的存在會(huì)導(dǎo)致寒冷地區(qū)水的膨脹，從而導(dǎo)致瀝青膜的位移和開(kāi)裂，甚至導(dǎo)致材料的脆性破壞^[4-7]。凍融循環(huán)的影響還會(huì)導(dǎo)致骨料粘結(jié)力喪失。此外，瀝青混合料長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)料老化，使其更加堅(jiān)硬并易于開(kāi)裂^[8-10]。

本文主要分析環(huán)境因素（長(zhǎng)期水分、凍融循環(huán)和熱老化）對(duì)兩種不同空隙率瀝青混合料力學(xué)性能的影響，根據(jù)混合料類型（密級(jí)配或開(kāi)級(jí)配）判斷導(dǎo)致材料失效的主要?dú)夂蛐袨椤４送?，在氣候影響結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)混合料力學(xué)性能的可恢復(fù)能力進(jìn)行評(píng)估，試圖參考現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析間接抗拉強(qiáng)度和剛度演變規(guī)律，表征瀝青混合料的完整性和剛度。

2 性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

本文使用兩種不同的瀝青混合料：密級(jí)配AC-16，空隙率為6.4％；開(kāi)級(jí)配OGFC-13，空隙率為20.2%。粗骨料：AC-16為10-20 mm和10-15 mm，OGFC-13為10-15 mm；細(xì)骨料：AC-16為0-5mm，OGFC-13為0-5 mm；表1顯示所用骨料的物理力學(xué)性能。所用填料為32.5^#硅酸鹽水泥，其中95%的粒徑小于0.075 mm。填料的表觀密度為0.7 mg/m³。

表格1 骨料性質(zhì)

兩種瀝青混合料均采用相同的基質(zhì)瀝青SK 70，其主要性能為：針入度為64mm（25℃；0.1mm）；軟化點(diǎn)為48.4℃；脆化溫度接近8℃。此外，兩種混合料均以相同的瀝青用量（占混合料總重量的4.5％）制備，目的是僅分析空隙率的影響。圖1顯示密實(shí)型和開(kāi)口型混合料的級(jí)配。

圖1密實(shí)型和開(kāi)級(jí)配瀝青混合料集料級(jí)配

表2顯示了兩種瀝青混合料的主要物理力學(xué)特性。用馬歇爾法表征密級(jí)配混合料的基本物理力學(xué)，而用顆粒損失法表征開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的。

表2混合料的主要性能

2.2試驗(yàn)方案

在研究過(guò)程中，每種類型的瀝青混合料（AC-16和OGFC-13）的70多個(gè)圓柱形試樣均由馬歇爾法成型壓實(shí)。在試件的每側(cè)施加50次錘擊以獲得較低的壓實(shí)能量，從而產(chǎn)生不利的壓實(shí)條件以促進(jìn)氣候變化，這一打擊次數(shù)足以評(píng)估氣候作用對(duì)這兩種混合料的影響。

為了分析雨水和濕氣對(duì)路面的長(zhǎng)期影響，將樣品浸入40℃的水中，時(shí)間分別為：0、1、3、7、14、28、42和60天。在每個(gè)時(shí)間周期，使用3個(gè)試樣，除了60天的情況外，使用6個(gè)試樣，因?yàn)槠渲?個(gè)試樣在水處理之后在5℃的冰箱中存放60天，目的是研究混合料性能的恢復(fù)，在水處理使瀝青混合料飽和之前，施加真空30±5分鐘，直到壓力為6.7±0.3KPa。

為了研究寒冷地區(qū)瀝青混合料性能的劣化，對(duì)每種混合料進(jìn)行不同的凍融循環(huán)，并將循環(huán)次數(shù)固定在0、1、2、3、4和5（每個(gè)循環(huán)持續(xù)2天）來(lái)分析氣候劣化下瀝青混合料的性能演變過(guò)程。與水分影響模式下的試樣數(shù)量一樣，每種情況下使用3個(gè)試樣，但5個(gè)循環(huán)的研究除外，因?yàn)榱硗?個(gè)試樣通過(guò)將其在5℃下保存10天來(lái)分析材料性能的恢復(fù)。試樣方法為：在18℃下放置16小時(shí)，然后在60℃水浴中24小時(shí)。試驗(yàn)之前，對(duì)試樣施加真空以獲得材料的飽和度。

關(guān)于熱老化，準(zhǔn)備過(guò)程包括將瀝青混合料試樣在80℃的烘箱中儲(chǔ)存0、1、3、7和10天，這些周期相當(dāng)于使用壽命超過(guò)10年的長(zhǎng)期混合料老化^[11]。與前邊過(guò)程類似，使用3個(gè)樣品進(jìn)行短時(shí)間老化，使用6個(gè)樣品進(jìn)行10天，因?yàn)槠渲?個(gè)樣品在老化方法后，在5℃下保存10天。

一旦完成所研究的3個(gè)過(guò)程（水分、凍融和熱老化）的準(zhǔn)備期，各試樣在試驗(yàn)前20℃下保存2小時(shí)。利用牽引阻力試驗(yàn)和剛度模量試驗(yàn)分析瀝青混合料力學(xué)性能的變化，以確定氣候作用對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度和剛度的影響，因?yàn)檫@些參數(shù)對(duì)于滿足道路路面的力學(xué)性能以避免剝離、剝落或疲勞等現(xiàn)象非常重要。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1水分的長(zhǎng)期影響

圖2顯示了在水中經(jīng)過(guò)不同浸水時(shí)間的密實(shí)型和開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的剛度演化規(guī)律（參考時(shí)間0時(shí)的材料剛度，視為100%），試圖模擬道路路面的長(zhǎng)雨季。剛度的降低以百分比表示，以確定每種混合物的降解，而不考慮由于礦物骨架的不同而對(duì)每種材料不同的絕對(duì)值。結(jié)果表明，水分作用會(huì)導(dǎo)致兩種材料的硬度長(zhǎng)期顯著降低（接近50％）。因此，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間下雨時(shí)，瀝青路面的剛度可能會(huì)大大降低，這在路面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮，以避免材料疲勞等早期破壞。

圖2水作用下瀝青混合料剛度演化規(guī)律

對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料，剛度的下降與試樣浸水天數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，而對(duì)于開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，則呈對(duì)數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，浸水7天剛度降低接近34%，而對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料，需要40天以上才能達(dá)到該值。這可能與兩種類型混合料之間的空隙率的差異有關(guān)，因?yàn)樗軌蚋菀椎貪B透到開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，因此，更快的水分?jǐn)U散過(guò)程，會(huì)降低骨料和瀝青結(jié)合料之間的粘附性。

圖3顯示在浸水第一周期間，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度（ITS）大大降低（高于44％），之后趨于穩(wěn)定。而密級(jí)配瀝青混合料隨著浸水天數(shù)的增加，ITS會(huì)逐漸降低，20天時(shí)兩種瀝青混合料的強(qiáng)度值相近，20天以后開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的ITS基本保持不變。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期水作用對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的強(qiáng)度影響比開(kāi)級(jí)配瀝青混合料大。

圖3水分作用下瀝青混合料強(qiáng)度的演化規(guī)律

3.2凍融循環(huán)

圖4和圖5分別顯示了不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)兩種類型混合料的剛度和ITS值的變化的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，在第一次凍融循環(huán)期間，兩種混合料的剛度和強(qiáng)度都會(huì)顯著降低，但在此之后，無(wú)論空隙率多少，混合料均表現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。主要原因是當(dāng)?shù)谝淮卫鋬鲅h(huán)發(fā)生時(shí)，由于水體積的增加，混合料的力學(xué)性能出現(xiàn)顯著降低，導(dǎo)致孔隙壓力增加和隨后的混合料開(kāi)裂及粘結(jié)性喪失。

圖4凍融循環(huán)對(duì)混合料剛度的影響

圖5.凍融循環(huán)對(duì)混合料ITS值的影響

密級(jí)配瀝青混合料空隙率較小，體積膨脹會(huì)導(dǎo)致材料位移和礦物骨架的變化，在第一次循環(huán)期間強(qiáng)度稍有降低，因此，密級(jí)配瀝青混合料強(qiáng)度降低更為明顯。而開(kāi)級(jí)配瀝青混合料由于空隙率較大，它允許更高的位移變化而不會(huì)改變其特性。因此，在路面設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮凍融效應(yīng)，因?yàn)殚_(kāi)級(jí)配瀝青混合料更適合于有溫度梯度大的路面，它們不易發(fā)生凍融變化。

3.3熱老化

圖6顯示了兩種類型的混合料在80℃條件下經(jīng)過(guò)不同的處理時(shí)間后，剛度的變化，該方法模擬了長(zhǎng)期熱老化。可以看出，這一過(guò)程導(dǎo)致瀝青混合料剛度變化很小，熱老化后的值甚至比之前更高。這可能與瀝青老化有關(guān)，導(dǎo)致瀝青混合料變硬。另一方面，熱作用的低效應(yīng)可能與礦物骨架對(duì)瀝青混合料的剛度起著重要作用，而不受熱老化的影響。

圖6熱老化對(duì)混合料剛度的影響

對(duì)于空隙率的影響，使用同一種瀝青兩種材料呈現(xiàn)出相似的剛度值變化，且兩種混合料ITS值的變化也相似，而與空隙率的差異無(wú)關(guān)（圖7）。在這種情況下，拉伸強(qiáng)度的輕微下降是由熱老化引起的，隨著處理天數(shù)的增加而逐漸降低。

圖7熱老化對(duì)混合料強(qiáng)度的影響

3.4氣候過(guò)程比較

圖8顯示了每種試驗(yàn)過(guò)程對(duì)密實(shí)型混合物的剛度和ITS的影響。比較最初的兩個(gè)循環(huán)周期（或5個(gè)凍融循環(huán)）。結(jié)果表明，熱老化是導(dǎo)致密級(jí)配瀝青混合料性能變化最小的氣候行為。另一方面，凍融循環(huán)在氣候作用開(kāi)始時(shí)具有顯著的影響，但后來(lái)由于混合料已經(jīng)損壞，這種行為趨于穩(wěn)定。然而，水作用過(guò)程，對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料其性能呈現(xiàn)出漸進(jìn)式劣化，需要更多的時(shí)間使水到達(dá)集料-粘結(jié)料界面，從而使混合料出現(xiàn)剝離。由以上分析可知，對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料，水損傷是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，可能導(dǎo)致比其他兩個(gè)過(guò)程（凍融循環(huán)和熱作用）更劇烈的混合料損壞。因此，使用密級(jí)配瀝青混合料的道路路面的設(shè)計(jì)受到預(yù)期氣候作用的影響顯著。

圖8密級(jí)配瀝青混合料氣候作用比較

對(duì)于開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，圖9顯示了氣候類型對(duì)其剛度和ITS演變的影響。熱老化對(duì)密級(jí)配圓瀝青混合料過(guò)程的影響較小，凍融循環(huán)在第一個(gè)處理周期內(nèi)對(duì)材料強(qiáng)度有顯著降低，但之后，其性能恒定，再次表明這些過(guò)程具有短期效應(yīng)。然而與密級(jí)配瀝青混合料不同的是，水作用導(dǎo)致在第一個(gè)進(jìn)水周期，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的ITS和剛度降低，這與空隙率高有關(guān)，有助于水通過(guò)瀝青結(jié)合料進(jìn)入和擴(kuò)散。進(jìn)一步分析表明，隨著水作用時(shí)間的延長(zhǎng)，其強(qiáng)度和剛度的降低是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。除凍融研究外，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的短期性能變化更為顯著，這表明在極端氣候作用下，特別是在雨季較長(zhǎng)的地區(qū)，空隙率對(duì)瀝青混合料的性能有著重要的影響。

圖9開(kāi)級(jí)配瀝青混合料氣候作用比較

4 結(jié)論

由于環(huán)境作用對(duì)瀝青混合料的損壞起著重要作用，本文分析了瀝青混合料在服役期可能發(fā)生的各種氣候因素對(duì)其性能演變。在研究過(guò)程中，對(duì)氣候作用進(jìn)行了評(píng)估，以確定影響最大的氣候因素，并對(duì)兩種類型的瀝青混合料進(jìn)行了分析，以評(píng)估空隙率的影響。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)期水作用對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的力學(xué)性能有較大的影響，在第一個(gè)浸水周期（短期效應(yīng)）內(nèi)，密級(jí)配瀝青混合料的強(qiáng)度和剛度顯著降低，表現(xiàn)出逐漸退化的趨勢(shì)，隨后其性能更加穩(wěn)定。這一事實(shí)表明，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料更適合于預(yù)期長(zhǎng)雨季的路面。

（2）凍結(jié)過(guò)程引起的水膨脹導(dǎo)致兩種類型的瀝青混合料在第一個(gè)循環(huán)期間路面性能退化劇烈。之后，凍融循環(huán)對(duì)混合料力學(xué)性能的演變影響不大。這種氣候作用對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的影響稍高，因?yàn)楫?dāng)水膨脹時(shí)，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料允許更高的位移。

（3）由于瀝青老化，熱處理導(dǎo)致材料輕微硬化。兩種混合料的性能變化非常相似，因?yàn)樗鼈兪怯猛环N瀝青制作的試樣，只有受熱作用影響的組分影響更大，開(kāi)級(jí)配瀝青混合料的總變化量更高。

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作者簡(jiǎn)介：何莉（1971-）女，本科，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向：交通工程。